Als Wissenschaftler 1953 die Struktur der DNA endgültig identifizierten, war dies eine monumentale, mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Enthüllung: Vier Nukleotide, die jeweils eine mit Buchstaben markierte Base enthielten, wurden in einer Doppelhelixstruktur angeordnet. Diese vier Basen oder "Buchstaben" bilden Paare: Adenin A passt zu Thymin T und Cytosin B zu Guanin G. Diese Paare sind im Wesentlichen die Bausteine des Lebens auf der Erde. Die Art und Weise, in der die Paare angeordnet sind, liefert die genetischen Anweisungen für die Herstellung von Proteinen, die praktisch jeden kritischen Prozess unterstützen, der uns am Leben erhält.
Jetzt hat ein interdisziplinäres Forscherteam das genetische Alphabet erweitert und synthetische DNA hergestellt, die aus acht anstatt aus vier Buchstaben besteht. Dies geht aus einer neuen Studie hervor, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde . Die neu hergestellte Struktur heißt " Hachimoji- DNA", aus den japanischen Wörtern für "Acht" und "Buchstabe". "Hachimoji-DNA herzustellen, war, wie Carl Zimmer in der New York Times schreibt, eine" chemische Kraftprobe "für die Gruppe Unter der Leitung von Steven Benner, einem synthetischen Biologen der Foundation for Applied Molecular Evolution, bietet der Fortschritt neue Möglichkeiten in vielen Bereichen, einschließlich der medizinischen Forschung und Datenspeicherung.
Synthetische DNA wird in einem Labor von Grund auf neu hergestellt. Die kundenspezifisch programmierte DNA kann Anweisungen liefern, die in der Natur möglicherweise nicht vorkommen. Gegenwärtig wurde synthetische DNA - unter Verwendung der typischen vier Basen - für neuartige Zwecke entwickelt, z. B. um neue Parfümdüfte zu kreieren, aber es gibt auch potenzielle medizinische Anwendungen, wie die Herstellung eines Enzyms, das Gluten abbauen und Zöliakie behandeln kann.
“Hachimoji DNA” fügt dem Mix zwei neue Paare hinzu - P und Z, dann B und S. In früheren Arbeiten wurden verschiedene Versionen von synthetischen DNA-Strukturen mit sechs Basen erstellt. Acht-Basen-DNA erweitert die mögliche Anzahl von Drei-Buchstaben-Kombinationen oder Codons, die die DNA speichern kann, dramatisch.
Megan Molteni von Wired erklärt:
„Ein Alphabet mit vier Buchstaben gibt Ihnen 64 mögliche Codons, die 20 Aminosäuren ergeben, die Bausteine von Proteinen. Mit sechs Buchstaben können Sie bis zu 256 Codons eingeben. Acht macht es 4.096. "
Die meisten früheren Versuche, Basenpaare hinzuzufügen, waren instabil, weil sie wasserabweisende Moleküle an ihren Basen verwendeten, berichtet Matthew Warren für Nature . Neue synthetische Paare konnten zwischen natürlichen Paaren eingeklemmt, aber nicht hintereinander platziert werden. Die Hachimoji-DNA verwendet jedoch Wasserstoffbrückenbindungen - genau wie natürlich vorkommende DNA - und trägt so zur strukturellen Integrität bei.
In der Natur enthält DNA die Anweisungen zum Aufbau von Proteinen. Ein wichtiger Schritt in diesem Prozess ist die Erzeugung eines spiegelbildlichen RNA-Strangs. Ansonsten bleiben die in der DNA gespeicherten Informationen ungenutzt, wie bei einem Rezept, das niemals gekocht wird. Sie werden nicht in der Lage sein, die Wirkung von neu geschaffenen Genen zu beobachten, geschweige denn die Evolution zu sehen. Andrew Ellington, Co-Autor der Studie, ein Entwicklungsingenieur an der Universität von Texas, synthetisierte ein Enzym, das die Hachimoji-DNA (einschließlich der neuen Buchstaben) lesen und einen entsprechenden RNA-Strang herstellen konnte. Die RNA funktionierte wie geplant, wie Megan Molteni von Wired berichtet: Einige zeigten ein grün fluoreszierendes Leuchten, während andere in einer Petrischale an Lebertumoren oder Brustkrebszellen gebunden waren.
Aufgrund der verbesserten Speicherkapazität von Hachimoji DNA könnten wir die aus acht Buchstaben bestehende DNA verwenden, um Informationen zu speichern, wie z. B. einen extrem langlebigen, mikroskopisch kleinen Computerchip. Wie Ed Yong in National Geographic erklärt, können Forscher einen Schlüssel erstellen, der Informationen aus der Sprache der Computer - binäre Einsen und Nullen - in die Buchstaben des DNA-Alphabets übersetzt. DNA hält viel länger und nimmt viel weniger Platz ein als Festplatten. Forscher haben erfolgreich ein vollständiges Computer-Betriebssystem und einen ganzen Film in normaler DNA mit vier Buchstaben gespeichert.
Die Entdeckung hilft auch bei der Beantwortung eines biologischen Problems: Könnte Leben mit anderen Bausteinen als den vier Nukleotidbasen existieren, die auf diesem Planeten verwendet werden? Der synthetische Biologe Floyd Romesberg sagte gegenüber Nature, dass die neue Forschung "ein konzeptioneller Durchbruch" sei.
„Lange Zeit hatten wir Hinweise darauf, dass sich das Leben aus G, A, T, C entwickelt hat, nicht weil es genau die richtigen Rohstoffe waren, sondern weil sie einfach verfügbar waren“, sagte Romesberg in einem Interview mit Wired der erste, der diesen Verdacht bestätigt.
Die NASA, eine der Organisationen, die die Studie finanziert hat, gab in einer Pressemitteilung bekannt, dass die Hachimoji-DNA-Forschung die Suche nach Leben auf anderen Planeten vorantreiben wird, da die Entdeckung nahe legt, dass außerirdisches Leben möglicherweise nicht dieselben Bausteine wie das Leben auf der Erde verwendet.
Aber haben die Wissenschaftler ein völlig neues Leben auf der Erde geschaffen? Nein, laut Discover . Obwohl die Hachimoji-DNA alle strukturellen Anforderungen für das Leben erfüllt, kann sie sich nicht außerhalb der sorgfältig kalibrierten Laborumgebung halten.
